Title: Metodología de diseño del perfil aerodinámico de Hub para

turbinas de viento de eje horizontal de baja capacidad

Authors: Alan Jiménez-Ramírez, Víctor López-Garza,

Daniel Molinero-Hernández, Christian Erick Casillas-Farfán

Conference: Congreso Interdisciplinario de Energías Renovables -

Mantenimiento Industrial - Mecatrónica e Informática

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DOI - REBID - Mendeley - DIALNET - ROAD - ORCID

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RNA: 03-2010-032610115700-14

Editorial label ECORFAN: 607-8324BCIERMIMI Control Number: 2016-01BCIERMIMI Classification(2016): 191016-0101

Pages: 29

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Resumen

• El hub, localizado en el rotor de las turbinas de viento, es el encargado de sujetar los álabes y conectarlos con el eje principal del generador eléctrico, también de desviar el flujo de aire; que impacta en el rotor, hacia la raíz de los álabes (sección encargada de hacer que las turbinas giren con bajas velocidades de viento).

Resumen

• En el presente trabajo se analizan diferentes geometrías para el hub de una turbina de viento de baja capacidad de eje horizontal, para determinar cómo afecta en la eficiencia aerodinámica; geometrías tales como un hub en forma de cono, semicírculo, entre otras, y en comparación con una turbina con hub plano.

Resumen

• Esto se realizó mediante simulaciones en CFD (dinámica de fluidos por computadora) y posteriormente se obtuvieron las curvas de presión de cada geometría y se dio una propuesta de hub con determinadas características deseadas. Finalmente se proponen unas funciones matemáticas para el modelado geométrico del hub.

Objetivo general

• Diseñar y optimizar el perfil aerodinámico del hub de una turbina de viento de baja capacidad.

Justificación

• Existe la necesidad de lograr un aumento en la eficiencia de las turbinas de viento para hacer aún más rentable su uso. Por lo anterior, es necesario proponer una familia de perfiles aerodinámicos para el hub de turbinas de baja capacidad.

Hipótesis

• Es posible diseñar y optimizar el perfil aerodinámico del hub de una turbina de viento de baja capacidad, así como proponer una familia de perfiles aerodinámicos de hub para turbinas de baja capacidad.

Metodología

El HUB, localizado en el rotor de las turbinasde viento, es el encargado de sujetar losálabes y conectarlos con el eje principal delgenerador eléctrico, también de desviar elflujo de aire; que impacta en el rotor, hacia laraíz de los álabes.

Mediante el uso del software ANSYS Fluent serealizaron pruebas de simulación en algunosperfiles aerodinámicos para determinar laidoneidad de los mismos, y por tanta laviabilidad de su manufactura.

PROBLEMÁTICA

Parámetros de las simulaciones

Área de barrido de la turbina: 1.6m diámetro.Área del túnel de viento: 60cm*60cm (virtual y físico).

Velocidad de viento

(m/s)Reynolds

Velocidad túnel

(m/s)rpm

0 0.00E+00 0 0

2.5 2.22E+05 6.666666667 716.1972439

3 2.67E+05 8 859.4366927

4 3.56E+05 10.66666667 1145.91559

5 4.45E+05 13.33333333 1432.394488

6 5.34E+05 16 1718.873385

7 6.23E+05 18.66666667 2005.352283

8 7.12E+05 21.33333333 2291.831181

9 8.01E+05 24 2578.310078

10 8.90E+05 26.66666667 2864.788976

11 9.79E+05 29.33333333 3151.267873

12 1.07E+06 32 3437.746771

14 1.25E+06 37.33333333 4010.704566

15 1.33E+06 40 4297.183463

Mismo régimen(turbulento)

Las demás condiciones para la simulación son: Densidad del aire: 1.0151 kg/m^3, Temperatura: 25°C, Viscosidad dinámica:1.83E-05, Viscosidad cinemática: 1.57e-05, Modelo de turbulencia k-ε estándar.

PROBLEMÁTICA

10

Método de diseño

Contorno de presiones.

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

0 0,2 0,4 0,6 0,8

Pre

sió

n P

a

Posición en el túnel (m)

semicirculo

METODOLOGÍA

11

12

METODOLOGÍA

13

METODOLOGÍA

Selección de las características para el diseño

Contorno de presiones Cono y Secante1.

METODOLOGÍA

14

Optimización.

A) Primer propuesta llamada S-C1,

B) Primera Optimización llamada S-C2,

C) Segunda Optimización llamada S-C3,

D) Ojiva secante1.

METODOLOGÍA

15

METODOLOGÍA

16

Optimización.

Estudio del contorno de presionesComparación con la experimentación (túnel).

Zonas de interés.

A) Zona de aumento del flujo y flujo sobre el perfil, B) Punto de estancamiento, Flujo desde el punto de estancamiento sobre el perfil, C) Vórtices, zona de recircula miento y desprendimiento del fluido.

VALIDACIÓN SIMULACIÓN

17

19

Reducción del modelo de la turbina de viento.Álabes seccionados para una reducción en el tiempo de simulación.

VALIDACIÓN SIMULACIÓN

Simulación turbina con HUB S-C2Se realizó una comparación entre la propuesta de HUB S-C2 contra uno semicircular con la intención de ver las mejoras que puede tener el cambio de geometría.

METODOLOGÍA

20

Contorno de presiones para una turbina con HUB semicircular y con el HUB denominado S-C2; a laizquierda HUB semicircular, a la derecha HUB S-C2.

Simulación turbina con HUB S-C2

METODOLOGÍA

21

Contorno de velocidades para una turbina con HUB semicircular y con el HUB denominado S-C2; a laizquierda HUB semicircular, a la derecha HUB S-C2.

22

METODOLOGÍA Desplazamiento álabes

Resultados experimentación

RESULTADOS

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Velocidad de

viento (m/s)

Frecuencia generada (Hz)

Propuesta

S-C2Original Sin HUB

4.105 2.2 *** ***

4.377 2.7 *** ***

4.576 No se midió 2.8 ***

4.989 No se midió No se midió 3

5 3.5 3.4 3.1

6 4.8 4.5 4.3

7 5.6 5.5 5.4

8 7.2 7 6.8

9 8.3 8 7.8

10 9.5 9.2 9.2

11 12.2 12.1 11.8

12 14.5 14.1 13.7

14 16 15.7 15.3

15 18.1 17.8 17.3

Resultados experimentación

RESULTADOS

24

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

4 6 8 10 12 14 16

Fre

cue

nci

a ge

ne

rad

a H

z

Velocidad de viento m/s

propuesta S-C2

perfil original

sin HUB

RESULTADOS

Modelado geométrico del perfil S-C2

Para el modelado geométrico de considera la

ecuación:

x2+y2+280x+1214y-118895=0

Con centro en (-140, -607) y radio=712 mm.

Y para la curva tangente (a la curva anterior)

la ecuación:

x2+y2-86.8x-494.8y+63025.9=0

Con centro en (43.4, 247) y radio=64.3 mm.

CONCLUSIONES

26

• Se cumplieron con los objetivos tanto general como específicos.

• No debería de dejarse sin analizar el HUB de forma aerodinámica yseleccionar una geometría al azar, ya que en las máquinas siempre se buscael máximo rendimiento, y para lograrlo se deben involucrar todas sus partesen el diseño.

• Se observó un incremento en la velocidad del giro de la turbina eólica para lamisma velocidad de viento, el cual se ve reflejado en la frecuencia de salidadel generador eléctrico de la turbina eólica

CONCLUSIONES

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• Tener una geometría más aerodinámica tiene una influencia significativa enla distribución de presiones sobre los álabes, ya que se desvía de mejorforma el flujo del viento de la parte central hacia las palas.

• Aun cuando las aportaciones son relativamente pequeñas, estas existen y sise busca la máxima eficiencia deben de tomarse en cuenta.

TRABAJOS FUTUROS

28

• Seguir experimentando con las curvas de presión de los perfiles paraaumentar la lista de propuestas de HUB.

• Considerar un análisis del HUB incluyendo la góndola e integrando los álabesen el diseño, como una sola unidad.

• Proponer un HUB variante en el tiempo, que adapte su geometría a lasvelocidadesde viento.

TRABAJOS FUTUROS

29

• Realizar mediciones del Par producido por diferentes geometrías de HUB adiferentes velocidades, para determinar el aporte real de cada geometría.

• Considerar el efecto que tiene el HUB a la hora de diseñar álabes con lateoría BEM y proponer una corrección al factor de inducción axial.

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REFERENCIAS

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